(57)【要約】【課題】  温度変化によって有効屈折率が変化する特性を有するブラッググレーティングを備えた光ファイバを利用して、機械的動作なしに電気的にＲＦ信号のリアルタイム遅延を連続的に精密に制御し得るように構成された光学型リアルタイム遅延装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】  光学型リアルタイム遅延装置は、コア層とコア層を囲むクラッド層から構成され、クラッド層の外周面の一部分に長手方向に沿ってコア層との離隔距離が順次変化するテーパ部が形成された光ファイバと、光ファイバのテーパ部の形成区間内のコア層の内部に均一の間隔で形成されるブラッググレーティングと、光ファイバの長手方向に沿って、テーパ部におけるブラッググレーティングと対応する位置にテーパ部を囲むように形成される加熱部と、を含む。【選択図】   図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア層と前記コア層を囲むクラッド層から構成され、前記クラッド層の外周面の一部に長手方向に沿って前記コア層との離隔距離が順次変化するテーパ部が形成された光ファイバと、
前記テーパー部が形成された前記光ファイバの区間内のコア層の内部に均一の間隔で形成されるブラッググレーティングと、
前記光ファイバの長手方向に沿って、前記テーパ部における前記ブラッググレーティングと対応する部分に前記テーパ部を囲むように形成される加熱部と、
を含むことを特徴とする光学型リアルタイム遅延装置。
【請求項２】
前記光ファイバが、所定の曲率半径で曲がる曲線部を有し、前記テーパ部が、前記曲線部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学型リアルタイム遅延装置。
【請求項３】
前記テーパ部が、前記光ファイバの曲線部の外側曲面に形成されることを特徴とする請求項２に記載の光学型リアルタイム遅延装置。
【請求項４】
前記テーパ部が、平面形状であることを特徴とする請求項１に記載の光学型リアルタイム遅延装置。
【請求項５】
前記加熱部と前記ブラッググレーティングとの離隔距離が、前記光ファイバを通る光信号の進行方向に沿って順次増加することを特徴をする請求項１に記載の光学型リアルタイム遅延装置。
【請求項６】
前記加熱部が、印加電圧の大きさによって発熱量が調節できる金属電極であることを特徴とする請求項１に記載の光学型リアルタイム遅延装置。
【請求項７】
前記コア層が、熱光学特性を有する光学物質で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光学型リアルタイム遅延装置。
【請求項８】
前記コア層が、シリカ材質からなることを特徴とする請求項７に記載の光学型リアルタイム遅延装置。
【請求項９】
基板に、深さ方向に所定の曲率半径で長手方向に延びるグルーブを形成する段階と、
前記グルーブに均一な間隔のブラッググレーティングを備えた光ファイバを挿入した後、前記グルーブを接着物質によって埋めることにより、前記光ファイバを前記グルーブの底に沿って前記基板に対して曲がった状態で固定する段階と、
前記ブラッググレーティングと対応する前記光ファイバの一部分、接着物質、基板の一部を研磨することにより前記光ファイバにテーパ部を形成する段階と、
前記テーパ部における前記ブラッググレーティングと対応する位置に加熱部を形成する段階と、
を含むことを特徴とする光学型リアルタイム遅延装置の製造方法。
【請求項１０】
前記基板が、シリコン、石英、ガラス材質のいずれか１つから形成されることを特徴とする請求項９に記載の光学型リアルタイム遅延装置の製造方法。
【請求項１１】
前記加熱部が、金属コーティング方法によって形成されることを特徴とする請求項９に記載の光学型リアルタイム遅延装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学型リアルタイム遅延装置及びその製造方法に関し、特に、無線周波(ＲＦ)信号がのせられた光信号の伝送時間を連続的に制御するように構成された光学型リアルタイム遅延装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動体通信端末機、無線ＬＡＮ、ホームネットワーク、電子商取り引き、電子会議などの急速な実用化によって、無線通信量が爆発的に増加している。このような無線通信システム及び移動体通信端末機の性能は、周辺の通信環境に敏感であるため、通信環境の変化に対応できるアンテナシステムに対する要求が急増している。特に、移動体通信端末機及び無線ＬＡＮの場合、通話品質や通信品質が隣接使用者による通話量と通信量又は隣接使用者の位置などの周辺環境の影響を受けやすいので、周辺の通信環境の変化に対応して優秀な通信品質を維持するために、通信要求に応じて能動的に電波の送受信分布を調節できるアレイ型アンテナが使用されている。このアレイ型アンテナの場合、多数の素子アンテナ(element antenna)に伝送されるＲＦ信号を異なるように遅延させて放出されるＲＦ信号ビームの指向角の調節が可能になる。このような理由で、信号を適切に遅延させるリアルタイム遅延装置は、アレイ型アンテナの核心素子となる。
【０００３】
従来は、このようなリアルタイム遅延装置として、位相制御方式の電気的スイッチを利用してきた。しかしながら、この位相制御方式の電気的スイッチは全体のサイズと精密度の面で非常に不利であったため、最近は、光学効果を利用したリアルタイム遅延装置が利用されている。
【０００４】
図９は、光学的リアルタイム遅延部を利用する一般的な位相アレイアンテナシステムの構成図である。この構成は、光学的ＲＦリアルタイム遅延線路を利用したアレイ型アンテナ構造である。図示されたように、４つの素子アンテナ５０ａ〜５０ｄはそれぞれ光学的リアルタイム遅延部３０ａ〜３０ｄと連結されている。
【０００５】
図９に示す位相アレイアンテナシステムの構造に基づいて、ＲＦ信号の送受信分布を光学的に調節する方法を説明する。
【０００６】
まず、伝送しようとするＲＦ信号(ｆRF)が、電気光学変調器(electrooptic modulator)１０に送られ、キャリア者)として使用される光信号(ｆO)にのせられる。その光信号（ｆO）に載せられたＲＦ信号（ｆRF）が光学的リアルタイム遅延部３０ａ〜３０ｄと連結された光ファイバ線路２０に提供され、、光学的リアルタイム遅延部３０ａ〜３０ｄのそれぞれ設定された遅延時間(Δτ単位)で調節される。このように遅延された光信号は、光検波器４０ａ〜４０ｄによってＲＦ信号に復元される。その後、素子アンテナ５０ａ〜５０ｄを駆動させ、これらから送受信されるＲＦ信号ビームの分布を調節することができる。
【０００７】
光学的リアルタイム遅延部３０ａ〜３０ｄは、光ファイバ線路２０の一部に形成された遅延線路であり、それぞれΔτ単位の時間遅延を有するように構成されており、これらによって素子アンテナ５０ａ〜５０ｄを通じて送受信されるＲＦ信号ビームの走査方向が決定される。
【０００８】
この光学的リアルタイム遅延部３０ａ〜３０ｄは、従来は、特定の光波長を有する信号のみを反射させる特性を有する光ファイバブラッググレーティング(fiber bragg grating)構造を光ファイバ自体に導入させた形態を使用することが一般的であった。すなわち、固定された波長に対応するブラッググレーティング構造を光線路に形成することにより、伝送される波長を所定の位置で反射させ、この反射された光を再度受けて遅延を発生させる方式である。
【０００９】
前記従来のブラッググレーティング構造を利用する遅延方法は２つに大別される。第１の方法は、光信号の進行方向に沿ってグレーティングの周期が変わり、各地点で反射される光波長が変化するチャープファイバブラッググレーティング(Chirped fiber bragg grating)を利用することである。すなわち、波長を変えた光を入射させ、その異なる波長の光をブラッググレーティング構造に進め、グレーティング構造によって反射される反射地点を変えて、光にのせたＲＦ信号の遅延時間を調節する方式である。この方式は、ＲＦ信号がのせられる光信号の波長を変えてブラッググレーティングにおける光信号の反射位置を調節することにより遅延時間を変えるようにしているので、波長可変光源が必須である。しかしながら、この波長可変光源は、相当高価であるため、製造費用が向上するという問題点があった。
【００１０】
第２の方法は、波長を変える方法でなく、ブラッググレーティングが形成された線路を物理的に変形(曲げ又は押し)させてグレーティングの構造を物理的に変えることにより、反射される光信号の遅延時間を調節する方法である。しかしながら、この方法は、ブラッググレーティングが形成された線路を物理的に変形させるための機械的動作が必要であるため、遅延部の体積が大きくなり、機械的な疲労によって再現性及び信頼性が低下し、また、連続的な高速駆動が困難であるという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前述したような問題点を解決するために提案されたもので、本発明の目的は、温度変化によって有効屈折率が変化する特性を有するブラッググレーティングを備えた光ファイバを利用して、機械的動作なしに電気的にＲＦ信号のリアルタイム遅延を連続的に精密に制御し得るように構成された光学型リアルタイム遅延装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような目的を達成する本発明による光学型リアルタイム遅延装置は、コア層と前記コア層を囲むクラッド層から構成され、前記クラッド層の外周面の一部に長手方向に沿って前記コア層との離隔距離が順次変化するテーパ部が形成された光ファイバと、前記テーパ部を形成させた前記光ファイバの区間内のコア層の内部に均一の間隔で形成されるブラッググレーティングと、前記光ファイバの長手方向に沿って、前記テーパ部における前記ブラッググレーティングと対応する位置に前記テーパ部を囲むように形成される加熱部と、を含む。
【００１３】
上記目的を達成する本発明による光学型リアルタイム遅延装置の製造方法は、基板に、深さ方向に所定の曲率半径を有して長手方向に延びるグルーブを形成する段階と、前記グルーブに均一な間隔のブラッググレーティングを備えた光ファイバを挿入した後、前記グルーブを接着物質によって埋めることにより、前記光ファイバを前記グルーブの底に沿って基板に対して曲がった状態で固定する段階と、前記ブラッググレーティングと対応する前記光ファイバの一部、接着物質、基板の一部を研磨することにより前記光ファイバにテーパ部を形成する段階と、前記テーパ部における前記ブラッググレーティングと対応する位置に加熱部を形成する段階と、を含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光学型リアルタイム遅延装置は、温度変化によって有効屈折率が変化する特性を有するブラッググレーティングを囲むクラッド層の一部を研磨して非対称のテーパ構造を形成し、その研磨された部分に印加電圧によって発熱量が変わる加熱部を形成した後、前記加熱部に印加される電圧によって前記ブラッググレーティングの有効屈折率を変化させる。したがって、本発明の光学型リアルタイム遅延装置は、精密な電圧調節によって入力光信号が反射されるまでの遅延時間を決定し得るように構成される。すなわち、機械的動作なしに電気的にＲＦ信号のリアルタイム遅延を連続的に精密に制御することができる。さらに、本発明の光学型リアルタイム遅延装置は、構造及び製造方法が簡単であるため、製品の信頼性が向上し、製造費用も減少する。あわせて、単一基板上に本発明の光学型リアルタイム遅延装置を複数個配列する場合、小さい面積に複数のリアルタイム遅延装置を容易に集積することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明による光学型リアルタイム遅延装置の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
本発明による光学型リアルタイム遅延装置の実施形態は多数あり、以下は、最も望ましい実施形態に対して説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置の断面図である。
図１に示すように、本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置は、コア層１１０とそのコア層１１０を囲むクラッド層１００から構成され、クラッド層１００の外周面の一部分にその長手方向に沿ってコア層１１０との離隔距離が順次変化するテーパ部１４５が形成された光ファイバ１５０と、その光ファイバーのテーパ部１４５が形成された区間におけるコア層１１０の内部に均一間隔で形成され、温度変化によって有効屈折率が変化する特性を有するブラッググレーティング１２０と、光ファイバ１５０の長手方向に沿ってブラッググレーティング１２０と対応する部分のテーパ部１４５を囲むように形成される加熱部１３０と、を含む。
【００１８】
上記光ファイバ１５０は、所定の曲率半径で曲がる曲線部を有し、テーパ部１４５は、その曲線部に形成されている。より詳しくは、テーパ部１４５は、光ファイバ１５０の曲線部の外側曲面１５１の一部分を平面状に除去することにより形成される。これによって、光ファイバ１５０のテーパ部１４５を形成させた部分は非対称構造となる。また、テーパ部１４５の形成部分は、光ファイバ１５０の厚さが次第に変化するため、コア層１１０に形成されたブラッググレーティング１２０とテーパ部１４５との離隔距離が光ファイバ１５０の長手方向に沿って順次変化する。したがって、加熱部１３０とブラッググレーティング１２０との間の離隔距離も光ファイバ１５０の長手方向に沿って順次変化する。ここで、加熱部１３０とブラッググレーティング１２０との間の離隔距離は、光ファイバ１５０を通る光信号の進行方向に沿って順次遠くなるように構成されることが望ましい。すなわち、本実施形態における加熱部１３０は光ファイバー１５０の長さ方向に沿って、ブラッググレーティング１２０とテーパー部１４５との間の距離が最も近い位置から光進行方向にテーパ部１４５の終端部までの間に形成されている。ブラッググレーティング１２０も同様である。
【００１９】
この加熱部１３０は、ブラッググレーティング１２０の温度変化を誘発させるために、印加される電圧の大きさによって発熱量が調節される金属電極で形成される。また、コア層１１０も加熱部１３０から発生する熱がブラッググレーティング１２０に効果的に伝達されるように、シリカ材質のような熱光学特性を有する光学物質から形成されることが望ましい。
【００２０】
図２及び図３を参照すると、本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置の具体的な構造を確認することができる。図２は、ブラッググレーティングの開始部分(図１のIII−III線の)の断面図であり、図３は、ブラッググレーティングの終端部分(図１のIV−IV線の)の断面図である。
【００２１】
すなわち、ブラッググレーティング１２０の開始部分(ｚ＝０)では、コア層１１０と加熱部１３０との離隔距離(ｈ)が最も近く、光ファイバの長手方向に沿って離隔距離が順次増加し、ブラッググレーティング１２０の終端部分(ｚ＝Ｌ)では、コア層１１０と加熱部１３０との離隔距離(ｈ')が最も遠くなる。従って、加熱部１３０に電圧を印加して熱が発生すると、加熱部１３０とブラッググレーティング１２０との間の離隔距離によってブラッググレーティング１２０の有効屈折率が変化する。図３の実施形態では加熱部１３０がファイバーの外側の約半分を覆うように形成させているが、平坦とされたテーパー部１４５だけに設けるようにしても良い。
【００２２】
以下、このように構成される本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置の動作方式を説明する。
【００２３】
ＲＦ信号を含む所定波長の光信号が光ファイバ１５０のコア層１１０を通して伝送されると、コア層１１０のブラッググレーティング１２０部分を通過する途中、光信号が所定位置で反射させられて伝送された方向に戻る。このような反射時間が遅延時間となる。ここで、加熱部１３０に印加される電圧によって加熱部１３０の温度が変化する共に、加熱部１３０とブラッググレーティング１２０の離隔距離の変化の程度によってブラッググレーティング１２０の有効屈折率が変化する。すなわち、実質的にチャープファイバブラッググレーティングを利用した遅延方式と同様になる。
【００２４】
結局、反射される光の波長が１つでなく、光ファイバ１５０のクラッド層１００の厚さによって光の波長が順次増加し、反射される光波長の分布は加熱部１３０の温度によって変化する。
【００２５】
実際、このような構造の光ファイバ１５０のブラッググレーティング１２０によって反射される光信号の波長は、次の式によって求められる。
λB＝２ｎeffΛg
ここで、ｎeffは、ブラッググレーティングの有効屈折率であり、Λgは、ブラッググレーティングの周期である。
【００２６】
図４は、加熱部の温度による入力光信号の反射位置分布を示すグラフである。ここには、所定の波長(λs)を有する光信号を伝送した場合、加熱部の温度変化(すなわち、加熱部に印加される電圧)による反射位置(ｚ)が図示されている。ここで、λB0は、ブラッググレーティングに温度変化がない場合の反射する光の波長である。
【００２７】
例えば、波長λsの光信号を伝送する場合、加熱部の温度がＴ1であると、反射される位置はｚ1になり、温度がＴnであると、反射位置はｚnになる。すなわち、加熱部１３０に印加される電圧によって温度が上昇するほど、光信号がブラッググレーティング１２０の開始部分に近い位置で反射されるため、遅延時間が短くなる。従って、加熱部１３０に印加される電圧を調節してブラッググレーティング１２０に加えられる熱量を調節することにより、伝送される光信号の反射位置を調節することができ、それによって、入力される光信号が反射されるまでの遅延時間を比較的に簡単な電圧調節のみで制御することができる。
【００２８】
以下、本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置の製造方法を説明する。
図５ないし図８は、本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置の製造過程を示す工程断面図である。
【００２９】
まず、図５に示すように、石英、シリコン、ガラスなどの材質からなる基板２００に、基板の深さ方向に所定曲率半径を有し、基板の長手方向に延びる溝すなわちグルーブ２１０を生成する。上記グルーブの所定の曲率半径の曲がりは、図示のようにグルーブの底の基板２００の底面に対するものである。
【００３０】
その後、図６に示すように、グルーブ２１０に均一のブラッググレーティング１２０を備えた光ファイバ１５０を挿入した後、グルーブ２１０を接着物質２２０によって埋めることにより、光ファイバ１５０がグルーブ２１０の底に沿って基板に対して曲がって固定される。この光ファイバー１５０は、いうまでもなくまだテーパ部１４５を形成させない図１に示したものである。
【００３１】
その後、図７に示すように、前記形成された構造物の上側の一部、すなわち、光ファイバの一部、接着物質、基板の一部を研磨して、コア層のブラッググレーティング形成部分を囲む光ファイバ１５０のクラッド層の一部を除去して非対称のテーパ部を形成する。それによって、光ファイバ１５０の内部のブラッググレーティングと対応する部分のクラッド層の厚さが順次変化する。
【００３２】
その後、図８に示すように、光ファイバのテーパ部(ブラッググレーティングの形成部分と対応する部分を含む領域)のブラッググレーティングと対応する位置に金属コーティングによって加熱部１３０を形成する。
【００３３】
このような構造を有する単一光学型リアルタイム遅延装置を一つの基板上に複数個を集積してアレイ型リアルタイム遅延装置を構成することもできる。また、色々な半導体素子を同一基板上に同時に形成することができるため、アレイ型アンテナのサイズ大幅に減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置の断面図である。
【図２】図１のIII−III線の断面図である。
【図３】図１のIV−IV線の断面図である。
【図４】加熱部の温度による入力光の反射位置分布を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置の製造過程を示す工程断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置の製造過程を示す工程断面図である。
【図７】本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置の製造過程を示す工程断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による光学型リアルタイム遅延装置の製造過程を示す工程断面図である。
【図９】一般的な光学型リアルタイム遅延部を備えた位相アレイアンテナシステムの構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００：光ファイバクラッド層、１１０：光ファイバコア層、１２０：ブラッググレーティング、１３０：加熱部、２００：基板、２１０：グルーブ、２２０：接着物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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